特表 2022-530748 ヒータ無しのディスペンサー陰極を有した電気推進システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-07-01

(54)【発明の名称】ヒータ無しのディスペンサー陰極を有した電気推進システム

(51)【国際特許分類】

   B64G 1/40 20060101AFI20220624BHJP

   H02M 3/28 20060101ALI20220624BHJP

【ＦＩ】

B64G1/40 500

H02M3/28 H

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021559413

(86)(22)【出願日】2019-05-01

(85)【翻訳文提出日】2021-10-07

(86)【国際出願番号】 US2019030114

(87)【国際公開番号】W WO2020222836

(87)【国際公開日】2020-11-05

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】594203852

【氏名又は名称】エアロジェット ロケットダイン インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】コーク，ブライアン エー．

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS04

5H730BB23

5H730DD04

5H730DD41

5H730EE02

(57)【要約】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる回路が、点火回路を備えている。点火回路は、高電圧変圧器と、該高電圧変圧器の一次側とＤＣ供給源帰線との間に直列に接続されたスイッチと、を備えている。このスイッチは、駆動信号を受信するように構成されている。リセット回路が、高電圧変圧器の一次側と並列に接続されている。第１整流器が、高電圧変圧器の二次側と保磁子との間に直列に接続されている。変圧器の二次側の端子が、陰極に接続されている。また、電子放電に点火し、電子放電を持続させる回路は、持続回路を有しており、該持続回路は、陰極に接続された帰線を有する電流供給源と、該電流供給源と保磁子との間に直列に接続された第２整流器と、を備えている。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

点火回路および持続回路を備え、
前記点火回路は、
高電圧変圧器と、
前記高電圧変圧器の一次側とＤＣ供給源帰線との間に直列に接続され、駆動信号を受信するように構成されたスイッチと、
前記高電圧変圧器の一次側と並列に接続されたリセット回路と、
前記高電圧変圧器の二次側と保磁子との間に直列に接続された第１整流器と、
陰極に接続された前記高電圧変圧器の二次側の端子と、を有し、
前記持続回路は、
陰極に接続された帰線を有した電流供給源と、
前記電流供給源と前記保磁子との間に直列に接続された第２整流器と、を有する、電子放電に点火し、電子放電を持続させる回路。

【請求項2】

少なくとも１つの入力電力接続部に接続された複数の電源をさらに有し、前記少なくとも１つの入力電力接続部は、前記点火回路および前記持続回路の各々に入力電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の回路。

【請求項3】

前記高電圧変圧器は、前記少なくとも１つの入力電力接続部を介してＤＣ電源に接続された高比率変圧器であることを特徴とする請求項２に記載の回路。

【請求項4】

前記高比率変圧器は、１に対して少なくとも１０の巻き線比を有することを特徴とする請求項３に記載の回路。

【請求項5】

前記巻き線比は、少なくとも１００：１であることを特徴とする請求項４に記載の回路。

【請求項6】

前記巻き線比は、約６０：１であることを特徴とする請求項４に記載の回路。

【請求項7】

前記回路は、出力キャパシタの不足によって特徴づけられることを特徴とする請求項１に記載の回路。

【請求項8】

前記リセット回路は、直線的に配置されたダイオードおよびツェナーダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の回路。

【請求項9】

前記高電圧変圧器の一次側と前記ＤＣ供給源帰線スイッチとの間に直列に接続された前記スイッチは、コントローラによって制御されることを特徴とする請求項１に記載の回路。

【請求項10】

前記スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）であることを特徴とする請求項９に記載の回路。

【請求項11】

前記スイッチは、制御で閉じられ、前記ＤＣ供給源は、前記高電圧変圧器の二次側で高電圧を生成するように前記高電圧変圧器の一次側にわたって適用されることを特徴とする請求項１に記載の回路。

【請求項12】

前記電流供給源は、絶縁されたコンバータと、インダクタとを有することを特徴とする請求項１に記載の回路。

【請求項13】

前記電流供給源は、降圧に基づいたコンバータであることを特徴とする請求項１２に記載の回路。

【請求項14】

前記持続回路は、前記絶縁されたコンバータのＤＣ帰線に前記第２整流器の入力部を接続するＤＣ負荷をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、電気推進装置、より詳細には、ヒータ無しのディスペンサー陰極を利用した電気推進システムに関する。

【背景技術】

【0002】

宇宙に基づいた用途で利用される衛星および他の小型の電気ユニットは、一般に、ユニットの位置および向きの正確な制御を実現するために、搭載された推進システムを備えている。伝統的に、化学的推進が大量の推力を供給するので、上記システムは、化学的推進を利用した。しかし、化学的推進システムは、大きな推進薬質量、高温および高圧を必要とし、扱うのに潜在的に危険なまたは難しい推進剤を消費する。

【0003】

１つの代替的な推進システムは電気推進システムである。電気推進システムは、高い排気速度および燃料効率を有しており、一般に、３つのカテゴリー、つまり熱電的、静電気的および電磁気的に分割される。電気推進システムの中央部は、電子を生成する陰極を用いており、電子は、放電に点火するように用いられる。ガスの噴射と、高電圧破壊と、引き延ばされたアークを生成する機械的アクチュエータと、フューズワイヤの爆轟を含む複数の異なる方法は、真空で陰極放電に点火するように用いられることができる。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

１つの例示的な実施例では、電子放電に点火し、電子放電を持続させる回路が、高電圧変圧器と、高電圧変圧器の一次側とＤＣ供給源帰線との間に直列に接続され、駆動信号を受信するように構成されたスイッチと、高電圧変圧器の一次側と並列に接続されたリセット回路と、高電圧変圧器の二次側と保磁子との間に直列に接続された第１整流器と、陰極に接続された高電圧変圧器の二次側の端子と、を有した点火回路、および陰極に接続された帰線を有した電流供給源と、電流供給源と保磁子との間に直列に接続された第２整流器と、を有した持続回路を備える。

【0005】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例は、少なくとも１つの入力電力接続部に接続された複数の電源をさらに有し、少なくとも１つの入力電力接続部は、点火回路および持続回路の各々に入力電力を供給する。

【0006】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例では、高電圧変圧器は、少なくとも１つの入力電力接続部を介してＤＣ電源に接続された高比率変圧器である。

【0007】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例では、高比率変圧器は、１に対して少なくとも１０の巻き線比を有する。

【0008】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例では、巻き線比は少なくとも１００：１である。

【0009】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例では、巻き線比は約６０：１である。

【0010】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例では、回路は、出力キャパシタの不足によって特徴づけられる。

【0011】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例では、リセット回路は、直線的に配置されたダイオードおよびツェナーダイオードである。

【0012】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例では、高電圧変圧器の一次側とＤＣ供給源帰線スイッチとの間に直列に接続されたスイッチは、コントローラによって制御される。

【0013】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例では、スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）である。

【0014】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例では、スイッチは、制御で閉じられ、ＤＣ供給源は、変圧器の二次側で高電圧を生成するように変圧器の一次側にわたって適用される。

【0015】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例では、電流供給源は、絶縁されたコンバータと、インダクタとを有する。

【0016】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例では、電流供給源は、降圧に基づいたコンバータである。

【0017】

電子放電に点火し、電子放電を持続させる上述の回路の他の例では、持続回路は、絶縁されたコンバータのＤＣ帰線に第２整流器の入力部を接続するＤＣ負荷をさらに備える。

【0018】

本発明の上記または他の特徴部は、以下の明細書、図面から最も良く理解されることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】衛星用の電気スラスタを概略的に示す図である。

【図2】図１の電気スラスタで用いるための点火回路を概略的に示す図である。

【図3】例示的なコアリセット回路を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

ディスペンサー陰極のインサートが熱電子を生成することができるようにするために、ディスペンサー陰極は、該ディスペンサー陰極を温めるヒータを利用する。熱電子は、陰極放電を形成するイオンおよび自由電子を生成するように、ディスペンサー陰極において低圧のガスと反応する。ヒータは、陰極の一部を取り囲み、貯蔵された電気エネルギを熱エネルギに変換する物理的な構成要素である。ヒータの存在により電気ユニットの重量が増加し、また、ユニットによって引き出された電気負荷が増加するが、最も重大なことは、ヒータは、信頼性にとって危険があり、製造するのが難しいことである。

【0021】

ディスペンサー陰極は、通常は、保磁子と呼ばれる他の電極で取り囲まれている。保磁子電極の主な機能は、他の通路が利用可能でないときに、電子を引きつける通路を提供することによって陰極放電を起動し動作を持続させることを容易にすることである。

【0022】

図１は、衛星または他の宇宙整形電気ユニット用の例示的な電気推進システム１０を概略的に示している。電気推進システム１０は、複数の電源３０に接続された電力処理ユニット２０を備えている。点火回路２２が、電力処理ユニット２０内にある。陰極に点火し、陰極を持続させる点火回路２２は、２つの電力出力を生成するものであり、１つの電力出力は陰極４２に供給され、他の電力出力は保磁子４４に供給される。陰極４２および保磁子４４は、スラスタ４０内に含まれている。スラスタ４０は、ガス供給源５０に流体的に接続されている。

【0023】

図１の例では、単一の点火回路２２および単一のスラスタ５０を有するように示されているが、点火回路２２およびスラスタ５０は、所定の宇宙整形電気ユニットに要求される任意の数の付加的なスラスタを提供するのに必要とされるように再現され得る。

【0024】

陰極に点火し、陰極を持続させる点火回路２２は、電力処理ユニット２０を介して電源３０から電力を受け、陰極４２および保磁子４４に処理された電力を供給するように構成されている。スラスタ４０がヒータ無し陰極４２に点火し、この陰極４２を作動させるために、２つの電気的な条件が、点火回路２２の出力から要求される。第１に、イグナイタ４４に供給される出力は、保磁子４２において低圧のガスを破壊するのに十分に高い電圧でなければならない。第２に、陰極に点火し、陰極を持続させる点火回路２２からの電流は、真空アークの損傷が生じないようにするのに十分に低い大きさに制限されなければならない。

【0025】

接地に基づいた試験システム（つまり、実験室条件での）では、これは、順々に付加的な１ＫΩの抵抗を用いて０．１５Ａと０．３Ａとの間に制限された電流である１５００Ｖの供給源を使用して実現されることができる。しかし、この条件を実現するためには、使用される回路が大型で高価なものである。さらに、衛星において実験室システムを正確に適合させることは、実際の建設で実行されるべき重量が過度に大きくなることを必要とし得る。

【0026】

より小型のパッケージにおいてこの条件を実現するために、電気推進システム１０は、電源２２から保磁子４４および陰極４２に個別の出力を供給する。図１の参照を継続しながら、図２は、電力処理ユニット２０内のより詳細な点火回路２２を概略的に示している。

【0027】

陰極に点火し、陰極を持続させる点火回路２２は、処理電力入力部１０２を経由して電力入力部３０に接続されており、一般に、２つの回路、つまり点火回路１０１および持続回路１０３に分割されることができる。入力部３０から供給される電力の条件に基づいて、電力入力部１０２で受けられた電力は、電力処理回路２０内の付加的な回路によって処理されるか、または電源３０から入力部１０２に直接供給されることができる。入力部１０２で受けられると、電力は、高比率変圧器１１０と、コアリセット回路１１４と、絶縁されたコンバータ１３０と誘導子１４０とを有する電流供給源１０５と、に供給される。

【0028】

高比率変圧器１１０は、出力整流器１２０に正の出力を供給し、次に、出力整流器１２０は、電力出力部１０４を経由して保磁子４４に正の出力を供給する。高比率変圧器１１０の負の出力は、陰極４２に電力を出力する第２出力部１０６に供給される。高比率変圧器１１０は、出力キャパシタンスを省略し、エネルギを貯蔵すること無しに高比率変圧器１１０が高い電圧を供給できるようにする。いくつかの例では、高比率変圧器に要求される巻き線比は、１０：１よりも大きい。

【0029】

一例では、コアリセット回路１１４が、直線的に配置されたダイオード２０４およびツェナーダイオード２０２である。この例は、図３に示されている。コアリセット回路１１４は、変圧器１１０と並列に接続されており、コアリセット回路１１４の高電圧側は、変圧器１１０の高電圧入力部に接続されており、コアリセット回路１１４の低電圧側は、変圧器１１０の低電圧入力部に接続されている。コアリセット回路１１４の低電圧側は、変圧器１１０の非給電脚部に接続されている。また、変圧器１１０の非給電脚部は、スイッチ１１２に接続しており、該スイッチ１１２は、スイッチ１１２が閉じているときに中性点１０８に非給電脚部を接続し、スイッチが開いているときに変圧器を接続しないようにする。スイッチ１１２が閉じられているときには、コアリセット回路１１４のダイオード２０４は、コアリセット回路１１４を通る電流を遮断する。スイッチ１１２が開いているときには、コアリセット回路１１４のダイオード２０４は、コアリセット回路１１４を通る電流を磁化し、ツレナーダイオード２０２にわたる電圧降下が変圧器１１０に与えられ、変圧器１１０は、該変圧器１１０の束をリセット状態にするように電圧を主に供給する。

【0030】

動作中に、（電力処理ユニット２０内に、または電気ユニットの何処かに含まれる）外部の制御回路は、スイッチ１１２にパルスを供給する。パルスは、電力入力部１０２から変圧器１１０の一次巻き線を横切ってバス電圧を効果的に接続し、変圧器１１０の二次巻き線に高電圧を生成する。スイッチ１１２のパルスがオフにされているときには、イグナイタ４４へのケーブル配線における寄生容量並びに変圧器１１０およびスイッチ１１２の直列インピーダンスが、必要な高電圧を維持し、スイッチ１１２のサイクルの次までドループを伴う。変圧器のコアおよびターン数は、スイッチ１１２が閉じられている期間にコアの飽和を防止するように大きさが決定され、この大きさの決定は、周知の方法に従って実現されることができる。実用的な実施では、点火パルス列の間は、スイッチ１１２がオンのときに増加時間があり、スイッチのオフ時間中に電圧の減衰があるので、イグナイタ４４へ供給される電圧が平らでない（つまり一定でない）。イグナイタに供給される結果的な電圧の一般的な形式は、ＤＣパルスによってオフセットされた鋸歯パターンである。

【0031】

スイッチ１１２およびコアリセット回路１１４のパルスの間の期間は、変圧器１１０のコアに対する継続時間および電圧リセットを提供し、変圧器１１０をゼロの束に戻す。この構成では、電圧は、電流が陰極で検出されるまで無期限に高く維持されることができるか、または、パルスは、所定の電気スラスタ４０の特定の必要性に基づいて、イグナイタ４４にパルス列を生成するように周期的な群で出力されることができる。

【0032】

スイッチ１１２の継続時間におけるターンが一定に保持される場合には、点火電圧の大きさは、イグナイタ４４への入力電圧に依存している。これを行うことにより、典型的な入力のために、５０％まで、必要な点火電圧を変化させることができる。入力電圧によって生じる点火パルス電圧の変動性は、ある例では、点火電圧に基づいた点火パルス幅を形成することにより減少される。これは、従来のデジタルまたはアナログ制御システムによって実現される。

【0033】

放電が始まった後に保磁子４４を通して陰極４２へと電流を持続させるために、絶縁されたコンバータ１３０が、必要な電圧およびアンペア数を提供する。例によっては、絶縁されたコンバータ１３０は、０．１５～０．３Ａで２０～４００Ｖ程度を提供するように構成されることができ、およびプッシュプルコンバータまたは他の形式の切り換えモードコンバータとすることができる。代替的な例では、他の電流の大きさが、適切な尺度構成で同様の構成を用いて実現されることができる。

【0034】

陰極ヒータを全体的に省略するために、陰極４２は自己加熱陰極である。自己加熱陰極は、受けられた電流の一部を熱エネルギに変換し、そして、該熱エネルギは、陰極の温度を上昇させる。連続的な電流が陰極４２で受けられることを確実にするために、従って、自己加熱機能は、動作の全体にわたって維持され、インダクタ１４０は、絶縁されたコンバータ１３０の出力部を第２整流器１２２に接続する。第２整流器１２２は、陰極出力部１０６に接続され、図示した例ではダイオードである。

【0035】

陰極４２の放電が、効果的なＤＣ電圧レベルに電圧を設定し、一方、電流のフィードバックが、陰極４２に供給される電流の大きさを制御するように使用される。電流供給源が、陰極４２の点火の前にＤＣ電流を提供する。これが実現されることを確実にするために、図２の例示的な実施例は、ＤＣ負荷１５０を有している。ＤＣ負荷１５０は、切り換えられた抵抗、一連のツェナーダイオード、または放電供給源が予め充電されることができる同様の装置とされ得る。負荷１５０の電圧は、期待される放電よりも高いレベルに設定され、陰極放電が点火されるときに、電流が負荷１５０から陰極放電に自然に転換する。放電供給源および負荷がエネルギ全てを分流することを防止するために、放電および負荷１５０は、高電圧ダイオード１２２を介してイグナイタ４４に接続されている。高圧ダイオード１２２は、点火パルスの最大限の大きさに耐えるような大きさとされている。

【0036】

上述の概念は、単独で、もしくは任意のまたは全ての他の上述の概念の組み合わせで用いられることができることがさらに理解される。本発明の実施例が開示されたが、当業者は、特定の修正が本発明の範囲内でなされ得ることを理解するであろう。この理由のため、以下の特許請求の範囲が本発明の範囲および内容を決定するために検討されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】